Analoog naar digitaal signaalconversie Deel 3

Trefwoorden kunnen parallel of serieel worden gestreamd

Voor parallelle verzending moeten n communicatielijnen worden gebruikt (n = 4). De codewoordsymbolen worden gelijktijdig over de lijnen binnen het bemonsteringsinterval verzonden. Voor seriële verzending moet het bemonsteringsinterval worden onderverdeeld in n subintervallen: cycli. In dit geval worden de karakters van het woord opeenvolgend verzonden langs een lijn en wordt een klokcyclus toegewezen voor de transmissie van één karakter van het woord. Elk karakter van het woord wordt verzonden door een of meer discrete signalen: pulsen. Daarom wordt het omzetten van een analoog signaal in een reeks codewoorden vaak pulscodemodulatie genoemd. De manier waarop woorden door bepaalde signalen worden weergegeven, wordt bepaald door het formaat van de code. U kunt bijvoorbeeld het signaalniveau hoog instellen binnen de klokcyclus als een binair teken 1 wordt verzonden in deze klokcyclus, en laag – als een binair teken 0 wordt verzonden (deze weergavemethode, getoond in Fig. heet BVN-formaat – geen terugkeer naar nul).

In het voorbeeld van figuur 6 gebruikt het 4-bits binaire woorden (dit maakt 16 kwantiseringsniveaus mogelijk). In een parallelle digitale stroom wordt 1 bit van een 4-bit woord verzonden op elke lijn binnen het bemonsteringsinterval. In een seriële stroom wordt het bemonsteringsinterval verdeeld in 4 klokken, waarin de bits van een 4-bits woord worden verzonden (beginnend met de meest significante). 6 gebruikt 4-bits binaire woorden (dit maakt 16 kwantiseringsniveaus mogelijk). In een parallelle digitale stroom wordt 1 bit van een 4-bit woord verzonden op elke lijn binnen het bemonsteringsinterval. In een seriële stroom wordt het bemonsteringsinterval verdeeld in 4 klokken, waarin de bits van een 4-bits woord worden verzonden (beginnend met de meest significante). 6 gebruikt 4-bits binaire woorden (dit maakt 16 kwantiseringsniveaus mogelijk). In een parallelle digitale stroom wordt 1 bit van een 4-bit woord verzonden op elke lijn binnen het bemonsteringsinterval. In een seriële stroom wordt het bemonsteringsinterval verdeeld in 4 klokken, waarin de bits van een 4-bits woord worden verzonden (beginnend met de meest significante).

Bewerkingen met betrekking tot het omzetten van een analoog signaal naar digitale vorm (bemonstering, kwantisering en codering) worden uitgevoerd door één apparaat: een analoog-naar-digitaal-omzetter (ADC). Tegenwoordig kan een ADC gewoon een geïntegreerd circuit zijn. Omgekeerde procedure, dwz het herstellen van een analoog signaal uit een reeks codewoorden wordt uitgevoerd in een digitaal-naar-analoog omzetter (DAC). Nu zijn er technische mogelijkheden om alle beeld- en geluidssignaalverwerking, inclusief opname en verzending, in digitale vorm uit te voeren. Analoge apparaten worden echter nog steeds gebruikt als signaalsensoren (bijvoorbeeld een microfoon, een tv-zendbuis of een ladingsgekoppeld apparaat) en geluids- en beeldweergave-apparaten (bijvoorbeeld een luidspreker, een kinescoop).

Digitale signalen kunnen worden beschreven met behulp van typische parameters van analoge technologie, zoals bandbreedte. Maar de toepasbaarheid ervan in digitale technologie is beperkt. Een belangrijke indicator die de digitale stroom kenmerkt, is de gegevensoverdrachtsnelheid. Als de lengte van het woord n ​​is en de bemonsteringssnelheid FD, dan wordt de gegevenssnelheid, uitgedrukt in het aantal binaire symbolen per tijdseenheid (bit / s), berekend als het product van de lengte van het woord door de bemonstering frequentie: C = nFD.

Analoog naar digitaal signaalconversie Deel 2

Als je tijdens het bemonsteren geen vervorming van het tv-signaal nodig hebt met een afsnijfrequentie, bijvoorbeeld 6 MHz, dan moet de bemonsteringsfrequentie minimaal 12 MHz zijn.

Hoe dichter de bemonsteringsfrequentie echter bij tweemaal de afsnijfrequentie van het signaal ligt, hoe moeilijker het is om een ​​laagdoorlaatfilter te creëren, dat wordt gebruikt bij de reconstructie en ook bij de voorfiltering van het originele analoge signaal. Dit komt door het feit dat naarmate de bemonsteringsfrequentie de verdubbeling van de afsnijfrequentie van het bemonsterde signaal nadert, er steeds strengere eisen worden gesteld aan de vorm van de frequentiekarakteristieken van de reconstructiefilters: deze moet steeds nauwkeuriger overeenkomen met een rechthoek. karakteristiek. Opgemerkt moet worden dat een rechthoekig filter fysiek niet kan worden geïmplementeerd. Zo’n filter moet, zoals de theorie laat zien, een oneindig grote vertraging in het uitgezonden signaal introduceren. Daarom is er in de praktijk altijd een bepaald interval tussen de verdubbelde afsnijfrequentie van het oorspronkelijke signaal en de bemonsteringsfrequentie.

Kwantificering
– vertegenwoordigt de vervanging van de telwaarde van het signaal door de dichtstbijzijnde waarde van een reeks vaste waarden – kwantiseringsniveaus. Met andere woorden, kwantisering is het afronden van de telwaarde. Kwantiseringsniveaus verdelen het gehele bereik van mogelijke veranderingen in signaalwaarden in een eindig aantal intervallen: kwantiseringsstappen. De locatie van de kwantiseringsniveaus wordt bepaald door de kwantiseringsschaal. Er worden uniforme en niet-uniforme schalen gebruikt. In Fig. 3 toont het originele analoge signaal en zijn gekwantiseerde versie verkregen door middel van een uniforme kwantiseringsschaal, evenals de overeenkomstige beeldsignalen.

Signaalvervormingen die optreden tijdens het kwantiseringsproces worden kwantiseringsruis genoemd. Bij instrumentele ruisschatting wordt het verschil tussen het originele signaal en zijn gekwantiseerde kopie berekend en wordt bijvoorbeeld de gemiddelde kwadratische waarde van dit verschil als objectieve ruisindicatoren genomen. Het timingdiagram en het beeld van de kwantiseringsruis worden ook getoond in Fig. 3 (het beeld van de kwantiseringsruis wordt getoond op een grijze achtergrond). In tegenstelling tot jitterruis is kwantisatieruis gecorreleerd met het signaal, dus kwantisatieruis kan niet worden verwijderd door post-filtering. De kwantiseringsruis neemt af naarmate het aantal kwantiseringsniveaus toeneemt.

Met een relatief groot aantal niveaus is de kwantiseringsruis vergelijkbaar met de gebruikelijke jitterruis. De ruisoscillatie werd verminderd, dus het was nodig om deze trilling 128 keer te verhogen bij het verkrijgen van een beeld van de kwantiseringsruis om de ruis merkbaar te maken. Een paar jaar geleden leek het voldoende om 256 niveaus te gebruiken om een ​​televisievideosignaal te kwantificeren. Het wordt nu als de norm beschouwd om een ​​videosignaal op 1024 niveaus te kwantificeren. Het aantal kwantisatieniveaus bij de vorming van een digitaal audiosignaal is veel groter – van tienduizenden tot miljoenen.

Digitale codering
Een gekwantiseerd signaal kan, in tegenstelling tot het originele analoge signaal, slechts een eindig aantal waarden aannemen. Hierdoor kan een getal gelijk aan het rangtelwoord van het kwantiseringsniveau worden weergegeven binnen elk bemonsteringsinterval. Dit nummer kan op zijn beurt worden uitgedrukt door een combinatie van enkele tekens of symbolen. De set tekens (symbolen) en het systeem van regels waarmee gegevens worden weergegeven als een set tekens, wordt een code genoemd. De laatste reeks codesymbolen wordt een codewoord genoemd. Het gekwantiseerde signaal kan worden omgezet in een reeks codewoorden. Deze bewerking wordt codering genoemd. Elk codewoord wordt verzonden binnen een bemonsteringsinterval. Binaire code wordt veel gebruikt om audio- en videosignalen te coderen. Als het gekwantiseerde signaal N waarden kan aannemen, dan is het aantal binaire symbolen in elk codewoord n> = log2N. Een bit, of teken in een woord dat wordt weergegeven in binaire code, wordt een bit genoemd. Over het algemeen is het aantal kwantiseringsniveaus gelijk aan een geheel getal van 2, dat wil zeggen N = 2n.

Conversie van analoog naar digitaal

Om een ​​analoog signaal (geluid, beeld) om te zetten in digitaal formaat, moeten drie basisbewerkingen worden uitgevoerd: bemonstering, kwantisering en codering.

Bemonstering
– presentatie van een continu analoog signaal door middel van een reeks van zijn waarden (monsters). Deze monsters worden af ​​en toe van elkaar gescheiden door een interval dat het bemonsteringsinterval wordt genoemd. Het omgekeerde van het interval tussen monsters wordt de samplefrequentie genoemd. In Fig. 1 toont het originele analoge signaal en zijn bemonsterde versie. De afbeeldingen onder de timingdiagrammen worden verkregen in de veronderstelling dat de signalen televisievideosignalen van één regel zijn, hetzelfde voor het hele televisiescherm.

Analoog naar digitaal conversie. Bemonstering

Het is duidelijk dat hoe korter het bemonsteringsinterval, en dus hoe hoger de bemonsteringsfrequentie, hoe kleiner het verschil tussen het originele signaal en zijn bemonsterde kopie. De getrapte structuur van het bemonsterde signaal kan worden afgevlakt met een laagdoorlaatfilter. Dit is hoe het analoge signaal wordt hersteld van het gesamplede signaal. Maar de reconstructie is alleen nauwkeurig als de bemonsteringsfrequentie ten minste 2 keer de bandbreedte van het oorspronkelijke analoge signaal is (deze toestand wordt bepaald door de bekende stelling van Kotelnikov). Als niet aan deze voorwaarde is voldaan, gaat de bemonstering gepaard met onomkeerbare verstoringen. Feit is dat als gevolg van bemonstering extra componenten in het frequentiespectrum van het signaal verschijnen, die rond de harmonischen van de bemonsteringsfrequentie in het bereik liggen, gelijk aan tweemaal de bandbreedte van het oorspronkelijke analoge signaal. Als de maximale frequentie in het frequentiespectrum van het analoge signaal de helft van de bemonsteringsfrequentie overschrijdt, vallen de extra componenten binnen de frequentieband van het oorspronkelijke analoge signaal. In dit geval is het niet meer mogelijk om het originele signaal zonder vervorming te herstellen. De theorie van bemonstering wordt in veel boeken behandeld.

Analoog naar digitaal conversie. Vervormingsbemonstering

Een voorbeeld van bemonsteringsvervormingen wordt getoond in figuur 2. Een analoog signaal (nogmaals, stel dat het een videosignaal van de tv-lijn is) bevat een golf waarvan de frequentie eerst toeneemt van 0,5 MHz naar 2,5 MHz en vervolgens afneemt tot 0,5 MHz. Dit signaal wordt bemonsterd op 3 MHz In figuur 2 worden de beelden opeenvolgend getoond: het originele analoge signaal, het bemonsterde signaal, het herstelde analoge signaal na bemonstering. Het low-pass reconstructiefilter heeft een bandbreedte van 1,2 MHz Zoals je ziet worden de laagfrequente componenten (minder dan 1 MHz) zonder vervorming hersteld. De golf van 1,5 MHz verdwijnt en wordt een relatief vlak veld. De golf van 2,5 MHz na herstel werd een golf van 0,5 MHz (dit is het verschil tussen de bemonsteringsfrequentie van 3 MHz en de oorspronkelijke frequentie van 2,5 MHz). Deze beelddiagrammen illustreren de vervorming die gepaard gaat met een onvoldoende hoge ruimtelijke samplefrequentie van het beeld. Als het onderwerp van de televisieopname een object is dat zeer snel beweegt of bijvoorbeeld een roterend object, dan kunnen bemonsteringsvervormingen in het tijdsdomein optreden. Een voorbeeld van vervorming die gepaard gaat met een onvoldoende hoge samplefrequentie (en dit is de beeldsnelheid van televisiedaling) is een afbeelding van een snel rijdende auto op stilstaande wielen of bijvoorbeeld langzaam draaiende in een of andere richting, de spaken van de wiel (stroboscopisch effect) Er is geen bemonsteringsvervorming wanneer de bandbreedte van het originele signaal van bovenaf beperkt is en niet groter is dan de helft van de bemonsteringsfrequentie. geassocieerd met onvoldoende hoge ruimtelijke bemonsteringssnelheid van het beeld. Als het onderwerp van de televisieopname een object is dat zeer snel beweegt of bijvoorbeeld een roterend object, dan kunnen bemonsteringsvervormingen in het tijdsdomein optreden. Een voorbeeld van vervorming die gepaard gaat met een onvoldoende hoge samplefrequentie (en dit is de beeldsnelheid van televisiedaling) is een afbeelding van een snel rijdende auto op stilstaande wielen of bijvoorbeeld langzaam draaiende in een of andere richting, de spaken van de wiel (stroboscopisch effect) Er is geen bemonsteringsvervorming wanneer de bandbreedte van het originele signaal van bovenaf beperkt is en niet groter is dan de helft van de bemonsteringsfrequentie.